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Journal of Tropical Oceanography >

2023 , Vol. 42 >Issue 1: 192 - 203

DOI: https://doi.org/10.11978/2022027

Review

Research progresses and prospects of the artificial reefs

  • YUAN Tao , 1, 2 ,
  • SHI Qijia 3, 4 ,
  • YAO Yu , 3, 4 ,
  • XU Conghao 3, 4
Expand
  • 1. CAS Key Laboratory of Tropical Marine Bio-resources and Ecology, Guangdong Provincial Key Laboratory of Applied Marine Biology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
  • 2. Sanya National Marine Ecosystem Research Station, Tropical Marine Biological Research Station in Hainan, Chinese Academy of Sciences, Sanya 572000, China
  • 3. School of Hydraulic and Environmental Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China
  • 4. Key Laboratory of Water-Sediment Sciences and Water Disaster Prevention of Hunan Province, Changsha 410114, China
YAO Yu. email:

Copy editor: YAO Yantao

Received date: 2022-02-16

  Revised date: 2022-05-03

  Online published: 2022-05-17

Supported by

National Key Research and Development Program of China(2021YFC00502)

National Key Research and Development Program of China(2021YFC00505)

Fold

Abstract

Artificial reefs are submerged structures artificially placed on the seabed to mimic some characteristics of natural reefs. They are able to exert the functions of enhancing the proliferation of fishery resources, promoting the restoration of marine habitats and supporting coastal recreation. Its origins date back to thousands of years, but systematic research and applications on artificial reefs only began in the last century. In recent years, with the increasing number of artificial reef studies, a large number of new materials, new structures, new methods and new applications have been proposed and practiced. By reviewing the research progress of artificial reefs in China and abroad, the current situation in this field is reviewed from three aspects: the design, research and application of artificial reefs. The research and application direction of artificial reefs in the future are prospected, aiming to guide the future relevant works on artificial reefs in China.

Key words： artificial reefs; habitat restoration; hydrodynamics; reef engineering

Cite this article

YUAN Tao , SHI Qijia , YAO Yu , XU Conghao . Research progresses and prospects of the artificial reefs[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2023 , 42(1) : 192 -203 . DOI: 10.11978/2022027

人工礁(artificial reef)是一类人为设置在水下的结构物。中国早在距今2000年左右的春秋战国或汉代的“罧业”中就出现了在河道投木、垒石可以增加渔获的记载, 这些都是人工礁的原始雏形(杨吝 等, 2005)。现代人工礁的技术起源同样可以追溯到几百年前的中国以及日本和希腊等多个沿海国家, 其最初的共同目的都是为了诱集鱼类、增加渔获。所以在早期, 国际上人工礁也常被称为人工鱼礁(artificial fish reef)或人工栖所(artificial habitat), 尤其是在我国, 人工礁直接被定义为是“利用鱼类等水产生物喜欢聚集于礁石和沉船等物体的习性, 以达到对象水产生物的渔获量增加、作业效率化和保育的一种渔业设施”(陈丕茂 等, 2019)。较早的人工礁体结构往往取自当地的天然材料, 如树枝和树干等木材或具有复杂结构的岩石等, 这类人工礁主要分布于内陆的河湖以及部分海岸带。第二次世界大战后, 人们在太平洋中的大量沉船和被击落的战机周围发现了大量聚集的鱼类(Seaman, 2019), 因此在缺乏天然材料的海岸, 人们会采用一些废弃的轮胎、船舶、汽车、海洋平台或陆地建筑物废墟留下来的钢筋混凝土作为替代材料。通过长期的海岸工程实践发现, 传统材料堆积而成的人工礁体模块会面临海水腐蚀、风浪侵蚀和环境污染等问题, 因此近年来研究人员针对海洋环境开始设计制造不同材料与构型的新型礁体。随着研究的深入, 人工礁也不再局限于是一种渔业设施, 而在改善水质(Antsulevich, 1994; Jiang et al, 2016)、冲浪娱乐(Mendonça et al, 2012)、滨海和栖息地保护(Ranasinghe et al, 2006; Ten Voorde et al, 2009)等方面都得到了广泛应用。因此, 关于人工礁的定义也得到了进一步扩展, 在《东北大西洋海洋环境保护公约》中, 人工礁被定义为“有意放置在海底的水下结构物, 以模仿实现天然礁石的某些特性。在潮汐的某些阶段, 它可能会部分露出水面”。美国佛罗里达大学渔业与水产科学系创始人之一的Seaman教授在2019年的文章中将人工礁定义为“由天然或人造材料建造的底栖结构物, 被部署在世界各地, 用于保护、增强或恢复海洋生态系统的组成部分”(Seaman, 2019)。从其定义可以看出, 现代人工礁主要有两大特征, 一是它们一般都是被人为有意部署在海底的结构物; 其二是能够像天然礁石一样改变海洋环境, 使其更有益于人类或者其他海洋生物。目前, 这类人工礁技术正逐步从东亚、北美推广到世界各地的沿海国家, 包括中美洲和南美洲、印度-太平洋海域、北欧乃至非洲部分地区。
南海珊瑚岛礁是我国宝贵的蓝色领土, 关系到国家主权的核心利益。为了推进“海上丝绸之路”倡议和“海洋强国”战略的重大需求, 近年来我国以南海岛礁为基础开展了一系列填海造陆工程, 建设了相关的基础设施, 并以此为依托逐步牵引推进南海油气、渔业、旅游等资源的利用(许强 等, 2018)。但由于南海是我国台风、海啸等自然灾害频发的高风险区, 相对于我国大陆沿岸, 南海岛礁基础设施的安全面临更为巨大的挑战。同时, 人类的工程活动给岛礁海域的生态环境也带来一定的破坏。因此, 岛礁工程面临着海岸侵蚀和生境破坏等多重亟需解决的问题。现代人工礁在海洋生境修复、海岸侵蚀防治和滨海娱乐休闲等方面具有广阔的应用前景, 尤其是对我国南海岛礁工程的建设和维护具有重要的现实意义。但目前国内关于人工礁的研究多以促进渔业资源增殖的人工鱼礁为主, 在海岸防护、海洋娱乐等领域的结构设计和工程应用相较于国外而言还缺乏经验。近年来, 姚宇(2019)在相关水动力学研究领域开展了一系列持续的研究工作。
本文的主要目的是从人工礁的设计、研究和应用三个方面入手, 综述人工礁在国内外的发展现状, 并对未来的发展趋势进行展望, 以期为我国今后人工礁的研究和应用等方面的工作提供借鉴与思考。

1 人工礁的设计

早在千年以前, 捕鱼人就发现捕鱼后留在水下的岩石工具或者是沉没到河道中的大型树枝附近会有鱼类聚集, 并且随着时间推移渐渐变成了鱼类栖息地(Riggio et al, 2000)。这类由天然材料为基础形成的鱼类栖息地没有固定的构型可言, 而且大多都是人类偶然行为的结果。在中国明朝嘉靖年间(1522—1566年), 现在的广西北海市一带渔民学会了制造竹篱并人为放置在海中来诱集鱼群, 进行捕鱼作业。这些竹篱通常是用20根大毛竹插入海底, 同时在间隙中投入石块和竹枝等。实际上这就是现代早期的人工礁雏形(杨吝 等, 2005; 王磊, 2007)。这类由人类有意识地使用天然材料制造并布置在水下的人工礁结构同样出现在18世纪末的日本(Lima et al, 2019), 渔民们将竹木、石块、土袋和土管等未经处理的天然材料构成的人工礁沉没于海中以诱集鱼类(图1)。
图1 天然材料制成的人工礁(Shaw, 2006; Nelson, 2018)

Fig. 1 Artificial reefs made of natural materials

在第二次世界大战前后, 美国人发现被击落的飞机和沉船附近(Seaman, 2019)出现了聚集的鱼类。考虑到人工载具有一定的内部空间与复杂的构型, 非常适合海洋生物的附着与生存, 因此人们开始广泛地将退役的载具、废弃的石油钻井平台和建筑残骸沉入海底, 以作为人工礁来吸引海洋生物和改善海洋生态环境, 并实现废物利用。有的地方甚至成为了潜水爱好者的旅游胜地。
废弃的轮胎因为其材料不具备生物降解性且不可压缩, 在收集和处理过程中给人们造成很多麻烦。除了少量被制成工艺品和日常设施的辅助结构外, 其他大部分废弃轮胎聚集在一起成为了一种占用陆地空间资源的废物。考虑到这种难被生物降解的材料在海洋中不容易损坏, 因此将废弃轮胎组成各种构型作为人工礁体模块沉入海中, 为废弃轮胎的处理提供了一个生态上适宜的解决方案。这种人工礁还被称为轮胎礁, 曾一度被认为是创造鱼类栖息地的一个极好的解决方案。
美国的奥斯本轮胎礁(osborn tire reef)是一个著名的轮胎礁项目, 但是人们发现很少有海洋生物成功地在该轮胎礁上长期附着。这是因为在放置轮胎时, 虽然大多数都是用尼龙或钢带绑在一起, 但这些约束装置最终会随着时间变化而失效, 直接导致了超过200万个轻型轮胎发生松动(图2)。这种松动会导致轮胎上原本生长的海洋生物被摧毁, 并彻底阻止了其他新生物的附着生长。此外, 受到佛罗里达州东海岸热带风暴的影响, 这些松散的轮胎甚至会与不远处的天然珊瑚礁发生碰撞, 不仅起不到重建生态栖息地的作用, 还会对原本的天然栖息地造成损害。因此, 美国民间组织和政府都开始计划对原本的轮胎礁进行拆除, 但巨额的费用和操作的困难性导致拆除进度缓慢。直至后来在军方的介入和工业潜水员公司的共同努力下, 轮胎礁才开始被有序拆除。至今为止, 还有超过半数的废弃轮胎在海底等待被打捞上岸。
图2 松动的轮胎礁与打捞

Fig. 2 Loose tire reef and salvage

除了美国之外, 欧洲和东南亚许多国家也曾开启过轮胎礁项目(Seaman, 2019)。但人们发现这些轮胎礁非但没有吸引到海洋生物, 还导致附近海域部分原有的海洋生物消失。后来人们发现橡胶轮胎中包含的一些危险元素, 如铅、铬、镉和其他重金属, 会在海洋中释放出来对人体健康和环境造成威胁, 同时也不利于海洋生物生活。于是, 这些国家又开始打捞之前放置到水下的废弃轮胎。从目前进展来看, 想要恢复当地海域的原有生态, 还需要一定时间。
相比橡胶材料的轮胎而言, 混凝土材料同样能够在海洋中长期存在, 而且对自然环境非常友好, 在其构型多样性方面更具优势, 所以很多临海国家采用特别设计的混凝土构件来制成人工礁体模块(图3)。礁球(reef ball)是其中一种使用较为广泛的混凝土人工礁模块, 这种模块是由带孔的壳体结构构成。可以根据不同的水产养殖需求定制模具, 并通过使用模具轻松经济地实现现场制造。而且其布置方便, 不需要驳船和起重机, 被广泛用于海岸地带, 起到水产养殖、珊瑚移植甚至保护海岸带的作用(Harris, 2009)。除了礁球模块, 东亚国家多采用箱型的混凝土人工礁结构来增加渔获, 韩国渔民就使用了一种边长为3m的混凝土正方体模块, 针对不同的鱼类设计了特殊的内部结构以满足其不同的行为偏好。
图3 混凝土加钢材制成的人工礁(Seaman, 2019）

Fig. 3 Artificial reefs made of concrete and steel

纯混凝土材料的结构往往刚性不够, 受到极端天气冲击容易被破坏, 导致结构内部坍塌, 原本形成的生物栖息地毁于一旦。纯钢制材料刚性好, 但经济性较差且易腐蚀。因此, 人们设计制造了许多混合材料的人工礁模块。日本的工业制造商使用了钢、玻璃纤维和混凝土等材料制成新型的人工礁模块, 这种模块是世界上最大的人工礁模块之一, 高35m, 宽27m, 体积可达3600m3。西班牙采用重型混凝土和钢棒组合设计而成的人工礁, 可以有效地保护海草床免受非法拖网捕捞。
为进一步避免钢材的锈蚀影响, 提高人工礁的结构耐久性, 兼具轻质、高强、耐腐蚀等特性的玄武岩纤维材料被作为筋材加入到人工礁中。通过实验室研究以及在我国三亚蜈支洲岛热带海洋牧场的实际投放应用结果显示, 这类以玄武岩纤维作为筋材制成的人工礁, 其在海水腐蚀作用下的耐久性要优于钢筋混凝土, 且其在主动种植和修复珊瑚礁系统中的实际应用效果显著(高琪, 2020)。
随着材料科学和制造技术的进步, 传统的人工礁设计在经济性、环保性和稳定性等方面实现了全方位突破, 如生态岩电礁(biorock electric reefs), 这类采用新型设计的人工礁在电流作用下可以实现自我生长和修复。专家通过在海滩前布置生态岩电礁, 成功恢复了被严重侵蚀的海岸, 这类人工礁的成本要远低于传统的海堤或防波堤, 是未来在应对低洼岛屿、岸滩侵蚀和保护以及适应全球海平面上升等问题上极具潜力的解决方案 (Goreau et al, 2017)。 除此之外, 以3D打印技术等先进制造工艺为基础, 针对不同海洋生物种群特性或人类需求而定制化设计制造的人工礁也将逐渐成为主流。3DPARE(3D printing artificial reefs in the Atlantic)就是一个由几个欧洲国家合作的, 以设计并制作3D打印混凝土人工珊瑚礁为主的项目, 该项目设计制造的人工礁主要布置在北大西洋海域。实践证明这类人工礁与海洋环境兼容性好, 具有较少的环境负面影响, 而且能够有效抵御风暴和海水腐蚀(Ly et al, 2021)。
总体而言, 人工礁的设计呈规范化、环保化和多样化的变化趋势。为了最大化提高人工礁设计的实用价值, 需要基于人工礁的水动力特性、生态效应等内容对其关键设计参数进行深入研究, 包括结构形式和尺寸、材料组成和配比, 以及布放位置和数量等。

2 人工礁的研究

自现代人工礁的概念被提出以来, 全球关于人工礁的研究文献逐年递增。国内外学者从文献分析的角度对近60年来与人工礁相关的研究论文进行了充分调研(Lima et al, 2019; 张灿影 等, 2021), 结果发现人工礁的研究涉及到生物群落构成、礁体结构和材料、水动力学、物理、化学和地貌海洋学、社会经济效益评价以及相关法律法规等多个方面。本文从人工礁的水动力学特性和生态效应两个角度来对其主要研究成果进行综述。

2.1 水动力学特性研究

由于人工礁被布置在水下, 礁体突出海床表面, 改变了原有的海洋地貌, 所以礁体附近的海洋环境也会发生一定的变化。对人工礁水动力学特性进行充分研究, 将能更好地指导人工礁的结构设计和应用。以渔业养殖为例, 礁体附近能否产生上升流、背涡流等复杂流态, 对海洋渔业生产具有重要意义。这些流场效应不仅能够促进附近海域上、下水层的营养物质交换, 还能通过在人工礁周围产生大量的旋涡而为鱼类提供可以安全栖息的环境(Baine, 2001)。此外, 对人工礁的水动力特性开展研究, 无论对海洋生物种群的构成以及栖息地的保护, 还是对滨海的人类活动都有重要意义。
从定义可以看出, 人工礁的设计制造往往会以天然礁作为参考和对照(Harrison et al, 2020), 对于天然礁的水动力学特性研究一般分为现场观测、理论模型分析、物理模型实验和数值模型仿真4种方式(姚宇, 2019)。考虑到成本问题, 目前关于人工礁的水动力特性一般通过物理模型试验或数值仿真来进行模拟研究。物理模型试验法将人工礁置于具有稳定流速的水槽、水池或风洞中进行试验测试, 以此对由礁体结构本身产生的流体力学特征进行定量分析。刘洪生等(2009)通过风洞实验对正方体、金字塔及三棱柱的人工礁模型进行了测试与分析, 发现实心三棱柱模型所产生的背涡流水平和跨度都最大, 且其空心模型的回流速度也是三者之间最快的, 更有利于加快水下营养物质的循环。Jiang等(2013)采用流场粒子图像测速法(particle image velocimetry, PIV)在水槽中对人工礁进行了试验, 并且成功观测到了上升流和背涡流的形成(Jiang et al, 2014)。在Fujihara等(1997)首次利用数学模型得到鱼礁流场上升流的分布范围及特点以来, 数值模拟方法得到了很大的发展。常见的数值方法还有k-ε湍流模型(Li et al, 2017)、有限体积数值(Su et al, 2008)等方法。Jiang等(2016)借助计算流体动力学软件Fluent, 模拟得到了人工礁模型各断面的压力分布、流场效应和礁体受力情况, 模拟结果与采用PIV的水槽试验结果比较吻合。这种通过物理实验与数值仿真相结合的分析方法, 往往可以获取更为可靠的水动力学特性。

2.2 生态效应研究

人工礁的生态效应研究一直是人工礁研究的重点内容之一, 包括人工礁的鱼类增殖效果、生物群落构成以及生态修复等问题。
对于人工礁能够促进鱼类的增殖, 学术界最初主要有两个假说——吸引假说和生产假说。其中吸引假说指出, 人工礁附近生成的生物群落来自于附近天然礁, 不会增加当前海域的海产(Bohnsack, 1989; Smith et al, 2015), 即人工礁的主要功能只是吸引同海域其他地方的海洋生物聚集。而生产假说认为, 人工礁通过增加水生环境中必要的营养物质, 进而增加鱼类个体和物种的数量(Lindberg, 1997; Brickhill et al, 2005)。近期, 日本学者通过研究开发出了一种性价比高、环境友好的人工木礁, 并将其部署到贫营养海湾, 该人工木礁不仅使渔业资源产量得到了提高, 还建立了一个能促进营养物再生的循环生态系统, 使得其周围水域成为一个新营养源(Alam et al, 2020a, b)。这个发现对未来贫瘠海域的渔业资源增殖有很大的帮助, 同时也证实了人工礁的生产假说。因此, 单纯的鱼类增殖研究已经不能满足未来的人工礁发展趋势, 关于人工礁的研究将越来越侧重于其群落结构或组成的变化, 研究目的也从单纯的渔业资源增殖转向重构海洋生态系统。为了查明人工礁对海洋生态系统的重构效果, 研究者们往往会将其与天然礁进行对比分析。研究表明, 人工礁和天然礁的大型底栖生物群落以及鱼类的营养结构和营养路径基本一致(Zhang et al, 2021), 甚至人工礁中有更丰富和多样的鱼类种群(Rilov et al, 2000)。
通过世界各地的大量应用证明, 人工礁对渔业资源增殖和海洋生态系统的修复都能起到积极作用, 而且大部分人工礁随着布放时间的增长, 其附着的生物种类和量都能够达到与天然礁同样的水平(李勇 等, 2013)。但其作用效果和稳定性还是各有差异, 因此有必要深入研究影响其生物群落分布和构成的因素。其中, 人工礁体结构形式是影响其生物群落结构的主要内因(Coll et al, 1998; Spagnolo et al, 2014), 礁体内部的布局直接影响生物的遮蔽空间(Sherman et al, 2002), 复杂的遮蔽空间使礁体结构中形成不同的光影效果和不同鱼类的庇护所, 从而获得更好的诱集效果(周艳波 等, 2010; 姜昭阳 等, 2019)。其他内因还包括礁体材料(江艳娥 等, 2013)、部署面积(Hackradt et al, 2011)和空间布局(Zalmon et al, 2014), 它们对人工礁形成的生物群落中的生物多样性和丰富度都有一定的影响。
除了这些由人工礁本身内因带来的影响, 其部署海域的环境外因对其生物群落的构成也起到关键作用, 这些环境外因包括水温、水深、盐度、溶解氧和酸碱度等(张伟 等, 2009; Noh et al, 2017)。其中, 水温又是其关键一环, 因为它影响着生物群落的庇护条件、食物资源、产卵栖息地, 是促进鱼类增殖的关键因素(Bohnsack et al, 1985)。如在高温季节, 人工礁范围内的生物种类和数量有明显的提高(Noh et al, 2017)。

3 人工礁的应用

人工礁最初的应用是为了诱集鱼类, 形成渔场、增加渔获, 所以也常被称为人工鱼礁。后来人们发现这些人工鱼礁不仅可以诱集鱼类, 还能为许多海洋生物提供庇护所, 形成海洋生物栖息地。尤其是近年来, 人工礁的应用逐渐广泛, 并且不再局限在渔业生产和海洋生物多样性的保护上, 其在海岸保护(Ranasinghe et al, 2006; Elsharnouby et al, 2012)、近海娱乐休闲(Cáceres et al, 2010; Kirkbride-Smith et al, 2016)、捕获海洋能(de Almeida, 2017)等多个方面的应用也被人们发掘出来。下文就现代人工礁的几个典型应用分别进行综述。

3.1 人工鱼礁

作为人工礁最早的应用, 关于人工鱼礁的研究和实践一直非常丰富。二战以来, 人工鱼礁的功能已经从较单纯的诱集鱼类拓展到生境保护和修复功能上, 目标是渔业资源增殖和利用。国际学者曾将人工鱼礁改名为人工栖所(artificial habitat), 旨在扩大其功能范围(陈丕茂 等, 2019)。
欧洲的人工鱼礁大多数布置在地中海海域, 其主要是用于渔业管理, 即保护沿海地区或相对脆弱的生境免受非法拖网捕捞的影响, 加强小规模渔业并减少不同捕鱼活动之间的冲突。有56处人工鱼礁还被布置在东北大西洋海域, 建造这些人工鱼礁的动机主要是东北大西洋公约中提到的有关渔业保护和生产、生境保护和增强、研究和娱乐等需求。除此之外, 还有少数人工鱼礁被布置在波罗的海和黑海。在这些地区, 建设人工鱼礁的主要目的也是恢复和养护生境, 以减少由于渔业养殖、工业排放和其他人类活动造成的海水富营养化和其他污染。同时, 为了对人工鱼礁的使用和制造进行规范化管理, 欧洲各国制定了一系列规定和公约来保护海洋环境, 使其免受不合适的人工鱼礁所带来的负面影响(Fabi et al, 2011)。
美国对现代人工鱼礁的研究和应用起步比较早, 但由于政府初期投入较少, 在早期多采用废弃的交通工具和建筑废弃物来建设人工鱼礁, 以节约成本, 并且以发展滨海区域的休闲渔业为主。直到1984年《国家渔业增殖提案》的通过, 美国国家渔业局和各州政府开始出台人工鱼礁计划(张灿影 等, 2021)。在计划实施过程中, 一些保护组织、私营企业和渔业部门对人工鱼礁的建设、维护和管理都起到了重要作用(刘敏 等, 2017)。佛罗里达州的人工鱼礁项目是参与人工鱼礁开发的15个海湾和大西洋沿岸州中最活跃的项目之一。自20世纪40年代以来, 超过3800个计划中的公共人工鱼礁被放置在佛罗里达州海岸外和联邦水域。近年来, 每年有近100多个人工鱼礁被部署, 以应对渔业资源的枯竭和栖息地的退化。佛罗里达鱼类与野生动物保护委员会的人工礁计划为沿海地方政府、非营利性公司和州立大学提供财政和技术援助, 以建造、监测和评估人工鱼礁的建设和使用情况(Florida Fish and Wildlife Conservation Commission, 2020)。
澳大利亚作为一个四面临海的国家, 渔业资源非常丰富, 其境内部署的人工鱼礁常被用来创造新的捕鱼和潜水机会, 以降低某一热门地点被过渡捕捞的压力。同时, 为了避免一些不合适的材料对海洋造成污染, 以及某些结构物在海底发生移动时对自然栖息地的破坏, 澳大利亚政府机构为人工鱼礁的建造和部署出台了许多非常严格的规定和政策(Recfishwest, 2020), 以规范人工鱼礁的建设和管理。至2017年, 已至少有150个人工鱼礁被部署在澳大利亚水域, 在这些人工鱼礁范围内的鱼类种数大多都得到了提高。
东亚国家人口密度大, 建设人工鱼礁的目标大多数是为了大规模增殖和捕获渔业资源。日本为了减少鱼产品的进口, 确保其本国渔业的长期可持续发展, 从20世纪50年代开始, 由日本政府出面在其沿海水域部署人工鱼礁以增加鱼类种群。自1975年出台《沿岸渔场整备开发法》后, 日本的人工鱼礁建设向更加制度化、标准化和规模化发展。到了80年代, 日本开始了“海洋牧场计划”, 重点研究如何将沿海和近海的鱼类变为人类较易获取和管理的资源, 其中人工鱼礁的建设工作是该计划的关键一环(刘卓 等, 1995)。韩国自1972年以来开始逐渐在其附近海域布置人工鱼礁。到2014年, 光济州岛和楸子群岛附近海域就部署了231000个人工鱼礁模块, 这些模块大多由混凝土和钢材制成, 通过调整部署区域和模块构型可以满足不同鱼类种群的需要(Noh et al, 2017)。
我国关于人工鱼礁的研究应用最初主要集中在渔业养殖方面, 虽然其历史可以追溯到古代, 但真正意义上的人工鱼礁建设是始于20世纪70年代末, 其中1979年在广西北部湾开始了人工鱼礁实验研究(裴琨 等, 2020), 之后全国沿海大部分省市普遍开展了人工鱼礁的试验研究。直至21世纪, 广东省等沿海省市才陆续开展大规模的人工鱼礁区建设(王强 等, 2017), 大量的石块礁、混凝土构件礁、报废船只、钢结构等被投放入海, 礁区的总空方量逐年上升。考虑到不同构型的人工鱼礁附近水动力特性与所产生的生态效应都有所区别, 其对海洋生物群落种类的吸引效果也不同(李磊 等, 2018, 2019; 张硕 等, 2020; 方继红 等, 2021)。因此, 根据南方和北方主要养殖的海产品种类不同, 各自海域投放的礁体也各有特点。北方沿海多采用石块或简易混凝土充当礁体模块(Yu et al, 2020; Zhang et al, 2021), 增殖对象多为海参、鲍鱼等海珍品种类(杨宝清 等, 2007); 而东部、南部沿海常使用混凝土构筑的箱型礁体模块(李珺 等, 2010; 刘畅 等, 2018), 增殖对象主要以鱼类为主。为了我国渔业资源的持续增殖, 国务院也多次发文提到要继续“加强人工鱼礁投放, 加大渔业资源增殖放流力度” “建设现代化海洋牧场”等。为此, 全国在人工鱼礁建设的基础上, 建立了7批共153个国家级的海洋牧场示范区, 为推进建设现代化海洋牧场, 促进海洋生物资源养护与生态环境修复起到了重要作用。表1为历年来各省市获批国家级海洋牧场示范区的数据, 从表中可知, 山东省和辽宁省在海洋牧场建设方面起步较早且获批的示范区数量最多, 其中青岛和大连两市所辖海域获批的示范区就有43个。南方各省市总体而言起步较晚, 且获批示范区的数量不多。但从海南省的数据来看, 自2019年获批首个示范区以来, 每年均有示范区获批, 且呈上升趋势, 这与我国近年来大力发展海洋经济和加强南海岛礁基础设施建设的各类战略举措息息相关。人工鱼礁作为建设海洋牧场的重要基础设施, 对其进行规范化管理是使其能够可持续发展的关键。进入21世纪以来, 我国沿海各省市和中华人民共和国农业农村部相继颁布了相关的法律法规, 如《广东省人工鱼礁管理规定》《河北省水产局人工鱼礁管理办法》《人工鱼礁建设项目管理细则》等, 这些相关规定能够确保人工鱼礁项目建设按质按量完成, 也是我国人工鱼礁建设正在逐步走向规范化、制度化的体现(李东 等, 2019)。
表1 历年我国各省市获批国家级海洋牧场示范区的数据统计

Tab.1 Statistical data of national-level marine ranching demonstration areas approved by each province of China

年份 天津 河北 辽宁 山东 江苏 浙江 广东 广西 上海 福建 深圳 海南
2015 1 3 4 6 1 3 2 0 0 0 0 0
2016 0 4 5 8 0 1 2 1 1 0 0 0
2017 0 3 5 7 5 2 0 0 0 0 0 0
2018 0 1 5 11 0 0 2 1 0 1 1 0
2019 0 3 4 12 0 1 3 0 0 0 0 1
2020 0 3 8 10 0 2 0 2 0 0 0 1
2021 0 2 3 5 1 2 1 0 0 1 0 2
合计 1 19 34 59 7 11 10 4 1 2 1 4
虽然我国在人工鱼礁建设方面取得了一定的成绩, 但相对于美、日、韩等起步较早的国家而言, 我们的人工鱼礁结构形式多以模仿为主, 缺乏原创性, 相关研究和管理经验还有所欠缺。当前, 加大对海洋牧场的投入是促进我国人工鱼礁事业发展的契机, 也是让我国人工鱼礁建设和研究更加精细化、规范化和现代化的关键。

3.2 人工冲浪礁

随着滨海娱乐设施的普及, 滨海地区吸引了大量的游客, 极大地带动了滨海旅游业的发展。研究发现, 适合冲浪的海域往往有着由天然礁构成的独特海底地形, 因此模仿这些天然礁的构造, 在近岸的海底部署人工礁, 以形成适合冲浪的环境, 这类人工礁又被称为人工冲浪礁。
第一个人工冲浪礁于1998年在澳大利亚黄金海岸建成, 被称为Narrowneck Feef。该人工礁由土工布沙袋堆砌而成, 沙袋中共填充了近20万m3的沙子。其整体结构形似两条垂直于海岸线的山脊, 两山之间有一条狭长的深谷。这条深谷能够提供激流, 帮助冲浪者轻松返回到他们的冲浪起点。随着时间的推移, 不断有沙子沉积到礁体周围, 沙袋堆砌过程中产生的台阶逐渐被掩埋, 冲浪条件也得到改善。Jackson等(2005)通过为期4年的观测发现, 这个人工冲浪礁不仅能吸引冲浪者, 还能对岸滩保护和生态系统恢复起到一定的效果。
同样在澳大利亚, Cable Station冲浪礁是以两种不同规格(1.5t和3t)的大型花岗岩建造而成(Bancroft, 1999)。该冲浪礁被布置在一个原本不具备冲浪条件的地方, 目的是探索人为创造良好冲浪波浪的可能性。自1999年1月开始施工, 耗时12个月完成, 总耗资180万澳元(Jackson et al, 2007)。实际数据表明, 该冲浪礁每年能提供超过150d的冲浪波浪, 并且这些波浪超过了预定的冲浪标准预期。尤其是在礁体结构中的一些凹陷被石头填充后, 其冲浪性能将进一步得到提高(Johnson, 2009)。
相对于以上两个成功的人工冲浪礁案例而言, 美国的Pratte’s Reef往往被认为是一个失败的人工冲浪礁。该人工礁在2001年建造于美国的加利福尼亚州, 初衷是修复因为海岸开发而对冲浪环境造成的破坏。导致其失败的原因主要有两个, 原因之一是资金投入较少, 礁体的初始总体积仅1600m3, 由于规模小, 故入射波浪不会因该人工礁的存在产生显著变化。另一个原因在于其作为结构主体的土工布沙袋出现破损, 导致沙子流失, 使原本体积不大的人工礁体逐渐变小, 部分甚至直接被掩埋。最终, 该人工礁未能产生足够的优质冲浪波浪(Johnson, 2009)。
人工冲浪礁的礁体结构在某种程度上类似于低顶防波堤, 但区别在于人工冲浪礁的主要目的不是为了耗散波浪能量以保护海岸线, 而是为冲浪者创造优质的冲浪波浪。通过上述实例表明, 人工冲浪礁的礁体结构设计对其实用性效果影响很大。考虑到其建造成本较高, 研究人员往往会借鉴天然冲浪礁的结构特征来进行人工冲浪礁的设计, 并通过水动力特性研究后才考虑让方案落地(Ten Voorde et al, 2009; Cáceres et al, 2010; Mendonça et al, 2012; Oertel et al, 2012)。

3.3 生态防波堤

传统防波堤大多采用岩石或混凝土制成, 这类防波堤的优势是完成建造后就能够马上投入使用, 但其缺点在于无法适应因气候变化导致的海平面上升, 而且有较高的后期维护成本。红树林、珊瑚礁、盐沼地和海草床对海岸的保护同样起到重要作用(Narayan et al, 2016; Reguero et al, 2018; 旷敏 等, 2021), 但随着人类活动的增加, 这类生物海岸逐渐退化, 带来的连锁反应是原本的滨海生物栖息地一同遭受破坏(张小霞 等, 2020)。目前, 针对正在退化的生物海岸, 人工礁是其生态重构过程的重要工具。有学者提出一种混合型的人工礁(Sutton-Grier et al, 2015), 这类人工礁往往具有传统防波堤的优势, 又兼具提供吸引海生生物附着与生长的场所, 以形成环境友好型的生态防波堤。
牡蛎防波堤礁(oyster breakwater reefs)是一种异于一般牡蛎礁的人工礁体结构, 它采用混凝土作为基材, 其相比于主要使用贝类衍生材料制成的牡蛎礁要更加坚固; 同时, 其结构设计也为新牡蛎的生长和发展提供空间。研究者在孟加拉东南海岸库图迪亚岛的一个正在被侵蚀的潮间带上布置了3个牡蛎防波堤礁(Chowdhury et al, 2019), 通过4个季节收集到的相关数据表明, 牡蛎防波堤礁能有效地消散波浪能量, 减少海岸侵蚀, 同时可作为生物的栖息地, 形成了一个具备自我修复功能的生态防波堤。这种生态防波堤有望为亚热带海岸线提供可持续性的保护。
日本学者同样考虑到设计制造既能消散波浪能量也能为海洋生物提供栖息地的生态防波堤。他们在传统混凝土防波堤的基础上增设了一些有利于珊瑚覆盖的结构, 如在防波堤靠港口一侧增设蓄潮池, 在防波堤表面上开许多不同尺寸的沟槽, 形成了一种具有更好的珊瑚附着性能的生态防波堤。他们以珊瑚覆盖面积与建造成本的比值作为评价指标, 评估了这类生态防波堤的性价比, 结果表明该生态防波堤即使增加了建造成本, 但拥有合适水深蓄潮池的生态防波堤仍是性价比最高的选择(比传统防波堤要高10%)(Tanaya et al, 2021)。
美国有大量的海外军事基地, 其中近海基地的基础防护设施常年受到海浪和风暴潮等自然灾害的影响, 需要定期维护以保障其功能完整。在2021年初, 美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)提出了Reefense计划, 该计划旨在通过对人工礁的研究, 开发出混合生物和工程技术的人工礁结构, 以减轻海浪和风暴潮对其近海基地基础设施的损害, 并且具备自我修复能力以降低后期维护成本, 此外还兼具促进复杂海洋生态系统的形成以及改善水质等环保功能。
我国在海洋生态防波堤方面的研究还不多见, 但这类兼具环境友好性和经济实用性的新型设计理念, 结合我国在生物海岸和潜堤的大量研究和应用基础, 在未来的南海岛礁海岸防护、生态系统保护等方面有很大的应用前景, 将是我国未来防波堤事业发展的一个趋势。

4 总结与展望

多年的理论和实践研究证明, 人工礁能够促进渔业资源增殖, 保护和恢复海洋生态环境, 促进滨海和海岛旅游业的发展。但在其发展阶段, 人工礁也曾面临或正在经受各种各样的负面影响, 比如因材料选用不当造成的水体污染, 因布置或管理不规范造成的航行安全和过度捕捞等问题, 或因设计不当未达到预期效果而导致的资金浪费。本文从人工礁的设计入手, 详述了人工礁从古至今在结构设计、材料选用和功能应用等方面随着技术进步、法规健全和需求扩张而逐步走向成熟的发展历程。此外, 根据国内外研究人员对人工礁进行的研究和分析, 重点总结了人工礁水动力学特性和生态效应的相关研究成果和方法。最后就人工礁的应用方面, 尤其是对人工鱼礁、人工冲浪礁和生态防波堤这3种典型的应用进行了综述。通过以上这些综述, 结合国内外关于人工礁发展过程中的经验和教训, 本文对未来我国人工礁的研究提出以下几方面的展望:
1) 人工礁的设计方面: 目前各国对构筑人工礁体的材料已有了相关法律法规的约束, 采用在海洋环境中稳定性好的环境友好型材料也是我国人工礁建设的必然趋势。此外, 随着现代先进制造技术的发展, 以及人们对海洋生物特性的进一步熟悉, 采用如3D打印等技术手段和生态景观融合等设计思路, 对礁体构型进行定制化设计制造将逐渐成为主流。
2) 人工礁的研究方面: 在人工礁的生态效应和水动力特性方面的研究仍有很大的探索空间。目前对人工礁生态效应研究的实验可以放到更大的环境中进行, 或许可以获得更多小范围实验中发现不了的新结论。而水动力特性研究方面可以参考天然礁体附近采集到的数据, 进一步优化物理模拟实验方法和数值仿真模型。同时, 加强对有益于生态和人类活动的天然礁体进行现场观测, 并对其水动力特性进行深入研究, 以便更好地服务于人工礁的设计与应用。
3) 人工礁的应用方面: 随着我国大力发展海洋经济, 推进海洋资源的保护与开发, 人工礁的应用场景将会越来越丰富。典型的人工鱼礁将更好地服务于我国的海洋牧场和蓝色粮仓建设, 这涉及到环境、生物、材料和工程等多个领域, 是一个跨学科的研究内容。而其他人工礁的应用也将愈发走向多功能化的趋势, 保证其生态作用的同时, 也进一步促进我国南海岛礁的海岸防护和海岛旅游业的发展。

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